淺析礦井避難硐室安全供氧方式的選擇

吳鈺晶

(安標國家礦用產品安全標志中心有限公司， 北京 100013)

0 引言

避難硐室作為煤礦井下的主要避難場所，主要在發生礦山事故為幸存人員提供生命的保障,即給避險人員提供生命所需的氧氣，而氧氣供給需要依靠硐室的供氧系統。避難硐室是一個狹小的密閉空間，避險人員不斷消耗里面的氧氣[1]。為維持硐室內人員呼吸要求，需要源源不斷地給硐室供應氧氣,其氧氣的濃度應始終維持在18.5%～23.0%，故避難硐室必須設置安全可靠的氧氣供給保障系統[2]。目前煤礦避難硐室供氧方式主要有壓風供氧、壓縮氧氣瓶供氧、化學制氧3種方式。

1 壓風供氧

1.1 壓風供氧系統

壓風供氧系統利用壓風管路的空氣作為空氣源，經過截止閥進入三級過濾器(過濾水、灰塵、油)，再通過減壓閥、消音器、管路，到達避難硐室內，最終連接硐室內壓風控制和布氣系統，實現硐室內的供氧。根據《煤礦井下緊急避險系統建設管理暫行規定》中第13條規定：“接入的礦井壓風管路應設減壓、消音、過濾裝置和控制閥，壓風出口壓力在0.1～0.3 MPa之間，供風量不低于0.3 m3/min·人，連續噪聲不大于70分貝。”壓風供氧原理如圖1所示。

1-井下壓風管路；2-截止閥；3-三級過濾器；4-減壓閥；5-壓力表；6-消音器；7-硐室彌散布氣系統。圖1 避難硐室壓風供氧原理

1.2 壓風供氧優缺點

1) 壓風供氧的優點是不耗電，不需要外界支持，不消耗能量，壓風管路也是礦井必備的部分，只要壓風系統正常工作，就能保證避難硐室的供氧。

2) 壓風供氧的主要缺點是壓風的管路長，從地面到礦井下連續數千米，容易受災變影響，且沿途需要對壓風管路進行一系列的保護。考慮到壓風供氧系統可能受到災害事故的破壞，需要配備一定量的壓縮空氣以滿足氣幕、噴淋、正壓維持等需要。

2 壓縮氧氣瓶供氧

2.1 壓縮氧氣瓶供氧系統

壓縮氧氣瓶供氧系統是將儲存在鋼瓶中的醫用壓縮氧氣，通過閥門、高壓表、減壓閥、低壓表、截止閥，利用所布置的管道把壓縮氧氣運輸到避難硐室內，實現供氧。壓縮氧供氧原理如圖2所示。

1-氧氣瓶；2-閥門；3-高壓表；4-減壓閥；5-低壓表；6-截止閥；7-硐室彌散布氣系統。圖2 壓縮氧供氧原理

2.2 壓縮氧氣瓶供氧優缺點

氧氣瓶供氧投資低，災變后受外界因素影響小，不需要鉆孔和敷設管路，能持續穩定地進行供氧。

氧氣瓶屬特種設備，主要缺點是需要制定一套完整的檢測、使用及操作規范。后期維護工作量也大,比如減壓閥半年一次強制檢驗，鋼瓶3年一次檢驗，每年重新灌氣一次，后期維護時需要對氧氣瓶進行拆裝、連接管路、運輸等。另外在礦井下潮濕惡劣的環境條件下，還要對管路進行維護管理，防止管路生銹、腐蝕等。

3 化學制氧

避難硐室內化學制氧技術主要包括超氧化物制氧(再生藥板生氧)技術和氧燭供氧技術(氯酸鹽制氧)，這兩種技術在常溫情況下便能發生反應，研究應用比較成熟。化學制氧具有儲氧量大、體積小、使用過程中無需外加動力或動力消耗低等特點，適合一般中小型密閉空間，特別是在沒有電力供應或電力供應不足的空間內可作為首選的供氧方式[3]。

3.1 超氧化物制氧(再生藥板生氧)

超氧化物最主要是超氧化鉀,其制備工藝相對簡單，且穩定性高、產氧效率高。一般超氧化鉀制氧裝置的藥板是由超氧化鉀和少量纖維壓制而成的板狀藥片，在制氧裝置中分層放置,便于藥劑充分反應。板狀超氧化鉀制氧裝置如圖3所示。

圖3 板狀超氧化鉀制氧裝置

超氧化物制氧的優點是具有消除二氧化碳和補充氧氣雙重作用。反應過程無需動力驅動，依靠自身化學反應，在密閉空間中形成動態平衡，即維持密閉空間氧氣濃度為19%～21%，二氧化碳濃度控制在1%以下，反應中有少量熱量釋放，反應器表面溫度為45 ℃～50 ℃，對艙內環境溫度影響較小。超氧化鉀生氧裝置所吸收的二氧化碳與放出氧氣的比率同人體的呼吸商相匹配，為自適應對流再生反應,可以有效地控制氧氣的生成速度，無需配置專門的二氧化碳凈化裝置。因此,超氧化鉀制氧裝置成為避難硐室供氧方式選擇的最佳方案之一。

由于藥板主要成分是超氧化鉀，它具有較強的氧化性和堿性,與有機可燃物質(如油類、各種棉織物、紙木屑等)發生反應，可引起燃燒，對皮膚有刺激,使用過程中需要嚴格按照如下規定操作：

1) 取拿、填裝藥板時必須戴橡膠手套，嚴禁戴棉織手套操作。

2) 使用藥板時，不與任何易燃物接觸。

3) 失效后的藥板，應裝入塑料袋內存放。

4) 藥板不能使用泡沫滅火器、干冰滅火器、水滅火，應該用備好的石棉布覆蓋。

3.2 氧燭供氧

由氯酸鹽制氧技術制成的供氧設備，俗稱氧燭。氯酸鹽產氧劑主要以氯酸鹽(如氯酸鈉)為主，添加少量的催化劑、黏結劑和除氯劑，經機械混合，加壓成型，制成藥柱[4],形似蠟燭，故被稱為氧燭。藥柱上端中心有體積很小的啟動劑，用瞬間高溫與啟動劑接觸，即可引發分解產氧反應。產氧的反應面沿柱體軸向緩緩下移。

氧燭的主要成分是氯酸鹽，其分解時所需熱量由金屬(Fe、Al、Mn等)粉末燃燒提供[5]。氯化鈉各方面性能比較突出,成為氧燭原料的主要來源。其主要優缺點為：

1) 優點是使用方便，產氧量和產氧速率等性能不受外部環境的影響，特別是溫濕度；其儲氧量大且產氧速率快，使用前后體積沒有太大變化，不需后續處理；氧燭產氧速度快，故在應急供氧領域,特別是潛艇艙室和航天器領域，是應急供氧的首要選擇。

2) 缺點是啟動時需要動力，只要一啟動，就會釋放全部的氧氣，中途不能停止。另外，氧燭在反應時需要用電火花點燃，過程中會產生高溫或燃燒，在整個使用過程中會產生大量的熱、煙霧和多種有害氣體，溫度最高達到400 ℃，遠高于井下防爆安全允許溫度，使用受到限制。在實際使用中，需要將氧燭釋放的氧氣先進行收集，通過凈化后再使用。為了克服此類缺點，可以在原氧燭系統中增加降溫系統，利用相變材料進行降溫，可滿足避難硐室用氧的要求，把溫度控制在安全范圍內。

4 供氧方式的選擇

通過上述3種供氧方式——壓風供氧、壓縮氧氣瓶供氧、化學制氧(再生氧供氧和氧燭供氧)的優缺點比較，煤礦可以根據需求選擇合適的供氧方式。但避難硐室只采用一種供氧方式是不安全、不可靠的，建議采用兩種或以上供氧方式。比如專用管路外加自備氧，第一級供氧采用壓風供氧系統，當壓風系統由于災變不能供氧時，可使用避難硐室內部的自備氧供氧。